紅外探測(cè)器的低噪聲前置放大電路設(shè)計(jì)

江 婷,李 勝,高閩光,童晶晶,李 妍

(1.中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230031；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),安徽 合肥230026)

1 引 言

隨著紅外光譜技術(shù)的飛速發(fā)展,紅外光譜儀在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。在紅外光譜儀的設(shè)計(jì)中,探測(cè)器的信號(hào)檢測(cè)電路是光譜儀的重要組成部分,該部分電路包括前置放大電路,濾波電路以及信號(hào)采集電路。其中,前置放大電路是對(duì)探測(cè)器輸出信號(hào)的預(yù)處理,主要實(shí)現(xiàn)對(duì)干涉紅外光后產(chǎn)生的微弱電信號(hào)的接收以及低噪聲放大,該部分電路的性能直接關(guān)系著儀器的最小可測(cè)功率、信噪比、動(dòng)態(tài)范圍等重要參數(shù)。因此,為了發(fā)揮紅外探測(cè)器的最佳性能并將信號(hào)放大到易于處理的電平需要設(shè)計(jì)低噪聲高增益的前置放大電路。

通常,設(shè)計(jì)匹配的前置放大電路主要包括偏置方法的選擇,耦合網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì),阻抗匹配結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及低噪聲放大電路的設(shè)計(jì)。目前,E.L.Dereniak等人[1]設(shè)計(jì)了一種低噪聲MOSFET反饋電路,通過(guò)前放的輸出反饋來(lái)設(shè)定最佳偏置電壓并提高了探測(cè)性能。陳興梧等人[2]在分析光電導(dǎo)探測(cè)器工作原理的基礎(chǔ)上對(duì)幾種偏置電路的性能進(jìn)行了對(duì)比分析,并設(shè)計(jì)了采用無(wú)噪聲偏置電路的前置放大電路大大降低了電路噪聲。李大宇等人[3]針對(duì)多元HgCdTe探測(cè)器在應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的串音干擾提出了一種高阻抗的前置放大電路,較好的抑制了電串音的干擾。以上研究主要側(cè)重于低噪聲電路設(shè)計(jì)并沒(méi)有針對(duì)實(shí)際的應(yīng)用需求設(shè)計(jì)匹配的前置放大電路,因此,在此基礎(chǔ)上本文圍繞實(shí)驗(yàn)室所用的制冷型碲鎘汞光電導(dǎo)探測(cè)器為依據(jù),設(shè)計(jì)了一種以窄帶濾波法為核心的恒流偏置型的低噪聲前置放大電路,并且建立等效噪聲模型分析電路的噪聲性能,最后通過(guò)理論分析結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電路在微弱信號(hào)檢測(cè)方面的性能。

2 電路設(shè)計(jì)方案

實(shí)驗(yàn)所用為#15-51983系列的碲鎘汞光電導(dǎo)型探測(cè)器,波長(zhǎng)響應(yīng)范圍為2.5～16 μm,探測(cè)器等效電容為17 pF且由液氮制冷達(dá)到降低探測(cè)器噪聲的目的,干涉光信號(hào)的處理流程如圖1所示。

圖1 干涉光信號(hào)處理流程

探測(cè)器將經(jīng)過(guò)干涉儀得到干涉光信號(hào)接收并轉(zhuǎn)化為電信號(hào),感光后輸出的微變交流電流信號(hào)在微安量級(jí),而探測(cè)器工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲電流是毫安級(jí)完全淹沒(méi)了有用信號(hào)。因此,要考慮抑制噪聲干擾的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)有用信號(hào)的低噪聲放大處理,針對(duì)本實(shí)驗(yàn)的前置放大電路設(shè)計(jì)主要包括偏置電路以及放大電路的設(shè)計(jì)。

2.1 偏置電路的設(shè)計(jì)

由于光電導(dǎo)型探測(cè)器正常工作時(shí)需要提供偏置電壓,而不同的偏置方式對(duì)探測(cè)器性能又有很大影響。在設(shè)計(jì)偏置電路時(shí)要綜合考慮探測(cè)器的響應(yīng)率、信噪比以及偏置電路的噪聲等因素,并且要求電路噪聲要遠(yuǎn)低于探測(cè)器的本底噪聲[4-6]。因此,綜上所述要合理設(shè)計(jì)與探測(cè)器相匹配的偏置電路。目前基于光電導(dǎo)型探測(cè)器的偏置電路有恒流源式,恒功率式以及恒壓式偏置[4-6],其中恒流偏置的信噪比較高且適用于探測(cè)器內(nèi)阻較小的情況,由于本文所用探測(cè)器內(nèi)阻較小為80 Ω,所以考慮采用恒流偏置電路。設(shè)計(jì)的偏置電路如圖2所示。

圖2 光電導(dǎo)探測(cè)器的偏置電路

探測(cè)器內(nèi)阻為Rd,三極管選用小功率、電流特性好且增益較高的達(dá)林頓NPN型晶體管2N2222,由R7,C13構(gòu)成的低通濾波器的截止頻率為:f=1.59 Hz可以濾除工頻干擾。變阻器R6可以調(diào)節(jié)三極管的工作狀態(tài)使三極管工作在放大區(qū),從而獲得較為理想的輸出偏置電壓Ve,得到基級(jí)電壓Vb與基級(jí)電流Ib的關(guān)系為:

(1)

其中,Vcc為直流電源電壓;Rx為滑動(dòng)變阻接入基級(jí)電路的部分可變電阻。令P為探測(cè)器的最大功耗,R10為偏置電阻,Rd為探測(cè)器暗電阻,可得探測(cè)器偏壓與功耗滿足:

(2)

則可進(jìn)一步得到探測(cè)器輸出電壓為:

(3)

2.2 前置放大電路設(shè)計(jì)

前置放大電路的設(shè)計(jì)需要考慮運(yùn)放電路的選擇,負(fù)反饋的形式,噪聲匹配以及合理的有源無(wú)源器件選用等技術(shù)問(wèn)題[7]。本文所用的探測(cè)器在正常工作狀態(tài)下需要分辨的最小電流信號(hào)為1 μA完全淹沒(méi)于噪聲當(dāng)中,所以需要設(shè)計(jì)低噪聲高增益的前置放大電路。為了滿足高增益的需求前置放大電路采用兩級(jí)放大的形式,第一級(jí)采用補(bǔ)償后的微分電路結(jié)構(gòu)完成I-V轉(zhuǎn)化,第二級(jí)采用T型電阻反饋網(wǎng)絡(luò)。因此,綜合考慮選用低噪聲超精密的高速運(yùn)放AD797對(duì)信號(hào)進(jìn)行I-V轉(zhuǎn)換,后級(jí)采用另一款高速精密的低噪聲運(yùn)放OP37實(shí)現(xiàn)無(wú)失真放大。兩級(jí)放大電路之間采用交流耦合的方式,從而使各個(gè)靜態(tài)工作點(diǎn)之間互相獨(dú)立,并且可以減少信號(hào)的損耗以及溫漂的情況。

常用的電流轉(zhuǎn)換成電壓的方法會(huì)影響轉(zhuǎn)換精度,因此本文考慮采用通過(guò)結(jié)合運(yùn)放的電阻反饋法實(shí)現(xiàn)I-V轉(zhuǎn)換的同時(shí)兼顧轉(zhuǎn)換精度。設(shè)計(jì)的電路如圖3所示。

圖3 微分運(yùn)放電路

(4)

二級(jí)放大電路與一級(jí)不同的是該級(jí)主要考慮放大器的增益,噪聲以及溫度漂移等重要性能指標(biāo)。

采用傳統(tǒng)的比例運(yùn)放電路會(huì)引起較大誤差,主要是由于運(yùn)放輸出電壓受到偏置電流、失調(diào)電壓、失調(diào)電流,以及溫度漂移等因素的影響。此外,為了獲取較高增益的同時(shí)需要阻值較大的反饋電阻,而反饋電阻過(guò)大會(huì)引入較大的熱噪聲,容易將被測(cè)信號(hào)淹沒(méi),因此考慮采用電壓增益高且反饋?zhàn)柚递^低的T型反饋網(wǎng)絡(luò)來(lái)改進(jìn)反饋電路的結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的二級(jí)運(yùn)放電路如圖4所示。

圖4 T型電阻反饋網(wǎng)絡(luò)比例運(yùn)放

電路采用R4,R8,R9構(gòu)成T型電阻反饋網(wǎng)絡(luò),其中R11為運(yùn)放的輸入電阻,R9為具有50 kΩ的可變電阻實(shí)現(xiàn)了增益可調(diào),同時(shí)該電路相比于比例運(yùn)放降低了反饋電阻的大小從而降低了電阻熱噪聲的影響。利用Y-△變換分析可知[8],增益為:

(5)

二級(jí)放大電路具有1至1000倍的可調(diào)增益,擴(kuò)大了電路的動(dòng)態(tài)范圍。總體電路如圖5所示。

圖5 紅外探測(cè)器前置放大電路

3 前置放大電路的噪聲分析

微弱信號(hào)檢測(cè)的目的是從噪聲中提取被測(cè)信號(hào),因此,分析運(yùn)放電路的的噪聲性能是很有必要的。由于運(yùn)放內(nèi)部包含大量的噪聲源,如果每個(gè)都進(jìn)行單獨(dú)分析將會(huì)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作,考慮采取廣義的噪聲概念[9-10]來(lái)對(duì)電路噪聲進(jìn)行分析。本文采用典型的EN-IN噪聲模型進(jìn)行分析,EN-IN噪聲模型如圖6所示。

圖6 等效噪聲電路

采用上述的噪聲分析模型,本文的前置放大電路的等效噪聲電路如圖7所示。

圖7 前置放大電路的等效噪聲電路

圖中,Rd為探測(cè)器內(nèi)阻,ep與in為運(yùn)放輸入端的等效噪聲電壓與噪聲電流,對(duì)于電阻可以等效為一個(gè)理想的無(wú)噪聲電阻串聯(lián)一個(gè)電壓源作為噪聲模型。對(duì)于噪聲電壓源的均方根為:

(6)

其中,k=1.38×10-23J/K為玻爾茲曼常數(shù);T為熱力學(xué)溫度(K);R為電阻值(Ω);Δf是噪聲帶寬(Hz)。

第一級(jí)運(yùn)放電路的噪聲將從以下幾個(gè)方面去分析,包括運(yùn)放的噪聲電流流過(guò)電阻產(chǎn)生的噪聲,電阻的熱噪聲以及運(yùn)放的輸入電壓噪聲。將這些噪聲相加,再結(jié)合運(yùn)放的噪聲增益即可得出一級(jí)運(yùn)放電路的輸出噪聲。分析可得:

電路中電阻的熱噪聲為:

(7)

噪聲電壓源產(chǎn)生的噪聲為:

(8)

噪聲電流源產(chǎn)生的噪聲為:

(9)

計(jì)算可得第一級(jí)放大電路產(chǎn)生的總噪聲為:

(10)

第二級(jí)放大電路產(chǎn)生的噪聲分析方法與第一級(jí)的跨阻電路分析相似,為方便分析這里應(yīng)用星型電阻網(wǎng)絡(luò)與三角形電阻網(wǎng)絡(luò)的等效變換[11]且取RP2等于R9便于計(jì)算,同理可得第二級(jí)放大電路產(chǎn)生的總噪聲為:

(11)

=2.1274×10-6V

(12)

由上述公式計(jì)算可得,檢測(cè)電路的噪聲電壓主要來(lái)源于探測(cè)器產(chǎn)生的噪聲電壓以及前置電路中的第一級(jí)運(yùn)放電路產(chǎn)生的噪聲,因此,在探測(cè)器的選擇,運(yùn)放電路的設(shè)計(jì)以及元器件的選型方面都會(huì)對(duì)檢測(cè)電路的噪聲性能產(chǎn)生影響。已知檢測(cè)電路輸出端的總噪聲電壓為2.1274×10-6V,可知其等效到輸入端可檢測(cè)的電流為2.659×10-8A。

=80.203 dB

(13)

可知探測(cè)器在輸出信號(hào)微弱的情況下,通過(guò)合理的調(diào)整偏置電壓以及電路增益可實(shí)現(xiàn)有用信號(hào)的低噪聲放大并獲得較高的信噪比。

4 信號(hào)調(diào)理實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

仿真時(shí)取探測(cè)器等效的光電激勵(lì)信號(hào)1 μA,信號(hào)頻率為1 kHz,探測(cè)器的源電阻設(shè)置為80 Ω,偏置電阻為1 kΩ。對(duì)于該電路的仿真,選取了Tina軟件以及加拿大IIT公司的mulitisim仿真軟件,用戶可以根據(jù)設(shè)計(jì)的電路對(duì)選擇相應(yīng)的元器件以及對(duì)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在Tina軟件下進(jìn)行模擬仿真,當(dāng)輸入為1 kHz的正弦波信號(hào)時(shí),仿真得到了電路的幅頻響應(yīng)曲線和相頻響應(yīng)曲線如圖8所示。

(a)中頻頻率

(b)上限頻率

可知當(dāng)激勵(lì)源保持不變時(shí),該電路表現(xiàn)出很好的低通特性,且調(diào)節(jié)輸出信號(hào)幅度降到峰值幅度的0.707倍時(shí),記錄信號(hào)的頻率,可得到-3 dB帶寬為2 MHz,滿足實(shí)驗(yàn)室所用的帶寬。分析相頻特性曲線,可知在工作帶寬內(nèi)都可以保持穩(wěn)定,即不會(huì)發(fā)生自激振蕩。

(a)第一級(jí)放大電路圖

(b)第二級(jí)放大電路圖

由圖9(a)和圖9(b)可知,經(jīng)過(guò)放大后輸出信號(hào)幅度可達(dá)22.725 mV,增益為87.13 dB,可知仿真結(jié)果與理論計(jì)算值基本相符合。

噪聲分析一般是在交流狀態(tài)下分析的,電路所計(jì)算的噪聲主要是電阻的熱噪聲以及半導(dǎo)體器件的散粒噪聲和閃爍噪聲。對(duì)所設(shè)計(jì)的電路圖進(jìn)行信噪比分析,得出的仿真波形圖如圖所示。可知在頻率為1 kHz,輸入不變的情況下,信噪比約為77.68 dB,仿真結(jié)果與理論電路的信噪比存在一定的偏差,主要是在仿真過(guò)程中仿真結(jié)果取決于電子器件模型的精度,模型中的器件性能參數(shù)與實(shí)際器件手冊(cè)中的參數(shù)存在一定的偏差。

圖10 信噪比曲線

5 結(jié) 論

本文通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)室紅外探測(cè)器輸出信號(hào)的特性以及應(yīng)用需求,設(shè)計(jì)了應(yīng)用于光電導(dǎo)探測(cè)器的恒流型偏置電路以及具有可調(diào)增益的低噪聲前置放大電路。實(shí)際測(cè)試表明,在標(biāo)準(zhǔn)工作條件下測(cè)得該部分電路具有2 MHz的帶寬可以滿足實(shí)驗(yàn)需求,可探測(cè)10-8A量級(jí)的微變交流信號(hào),具有較高的信噪比可以有效抑制噪聲。值得注意的是,為了進(jìn)一步提高電路的性能還要對(duì)電路板設(shè)計(jì),電磁兼容以及接地方式等進(jìn)行更深入的研究。